高中创新设计物理教科版34学案第2章第4讲惠更斯原理波的反射与折射.docx
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高中创新设计物理教科版34学案第2章第4讲惠更斯原理波的反射与折射
高中创新设计物理教科版3-4学案:
第2章第4讲惠更斯原理波的反射与折射
[目标定位] 1.知道什么是波面和波线.2.了解惠更斯原理,会用惠更斯原理解释波的反射与折射现象.3.认识波的反射和折射现象,知道反射定律和折射定律.
一、惠更斯原理
1.内容:
波在传播过程中所到达的每一点都可看做新的波源,从这些点发出球面形状的子波,其后任一时刻这些子波波前的包络面就是新的波前.
2.应用:
根据惠更斯原理,可以用几何作图的方法,由已知的某一时刻波前确定下一时刻波前,从而确定波的传播方向.
二、波的反射
1.定义:
波在传播的过程中,遇到两种介质的分界面时返回到原介质继续传播的现象叫波的反射.
2.反射定律:
当波传播到两种介质的交界处发生反射时,入射线、法线、反射线在同一平面内,入射线与反射线分别位于法线两侧,而且反射角等于入射角;反射波的波长、频率和波速都与入射波相同.
三、波的折射
1.定义:
波在传播过程中,从一种介质进入另一种介质时,波传播的方向发生偏折的现象叫做波的折射.
2.折射定律
=
3.结论
(1)当v1>v2时,i>r,折射线偏向法线.
(2)当v1<v2时,i<r,折射线偏离法线.
(3)当垂直界面入射(i=0)时,r=0,传播方向不变,是折射中的特殊情况.
一、对惠更斯原理的理解
1.惠更斯原理中,同一波面上的各点都可以看做子波的波源.波源的频率与子波波源的频率相等.
2.波线的指向表示波的传播方向.
3.在各向同性均匀介质中,波线恒与波面垂直.
4.球面波的波线是沿半径方向的直线,平面波的波线是垂直于波面的平行直线.
5.利用惠更斯原理可以解释平面波和球面波的传播、波的衍射、干涉和折射现象,但无法说明衍射现象与狭缝或障碍物的大小关系.
【例1】 (多选)关于对惠更斯原理的理解,下列说法正确的是( )
A.同一波面上的各质点振动情况完全相同
B.同一波面上的各质点振动情况可能不相同
C.球面波的波面是以波源为中心的一个个球面
D.无论怎样的波,波线始终和波面垂直
解析 按照惠更斯原理:
波面是由任意时刻振动情况完全相同的点构成的面,故A对,B错;由波面和波线的概念,不难判定C、D正确.
二、波在反射、折射现象中的波长、频率和波速
波现象
比较项
波的反射
波的折射
传播方向
改变 θ反=θ入
改变 θ折≠θ入
频率f
不变
不变
波速v
不变
改变
波长λ
不变
改变
特别提醒
(1)频率(f)由波源决定,故无论是反射波还是折射波都与入射波的频率相等,即与波源的振动频率相同.
(2)波速(v)由介质决定,故反射波与入射波在同一介质中传播,波速不变,折射波与入射波在不同介质中传播,波速变化.
(3)据v=λf知,波长λ与波速和频率有关,反射波与入射波,频率同,波速同,故波长相同,折射波与入射波在不同介质中传播,频率同,波速不同,故波长不同.
【例2】 如图1所示,1、2、3分别代表入射波、反射波、折射波的波线,则( )
图1
A.2与1的波长、频率相等,波速不等
B.2与1的波速、频率相等,波长不等
C.3与1的波速、频率、波长均相等
D.3与1的频率相等,波速、波长均不等
解析 反射波的波长、频率、波速与入射波都应该相等,故A、B错;折射波的波长、波速与入射波都不等,但频率相等,故C错,D正确.
针对训练 同一音叉发出的声波同时在水和空气中传播,某时刻的波形曲线如图2所示.以下说法正确的是( )
图2
A.声波在水中波长较大,b是水中声波的波形曲线
B.声波在空气中波长较大,b是空气中声波的波形曲线
C.水中质点振动频率较高,a是水中声波的波形曲线
D.空气中质点振动频率较高,a是空气中声波的波形曲线
解析 波的频率取决于波源的振动频率,与介质无关,故同一音叉发出的声波在水中与在空气中传播时频率相同.但机械波在介质中传播的速度只取决于介质性质,与波的频率无关,声波在水中传播的速度大于在空气中传播的速度.由v=λf知,声波在水中的波长应较大,对应于题图中波形曲线b,故只有A正确.
三、反射现象的应用
1.回声测距:
(1)当声源不动时,声波遇到了静止的障碍物会返回来继续传播,反射波与入射波在同一介质中传播速度相同,因此,入射波和反射波在传播距离一样的情况下,用的时间相等,设经过时间t听到回声,则声源距障碍物的距离为s=v声
.
(2)当声源以速度v向静止的障碍物运动或障碍物以速度v向静止的声源运动时,声源发声时障碍物到声源的距离为s=(v声+v)
.
(3)当声源以速度v远离静止的障碍物或障碍物以速度v远离声源时,声源发声时障碍物到声源的距离为s=(v声-v)
.
2.超声波定位:
蝙蝠能发出超声波,超声波遇到障碍物或捕食目标时会被反射回来,蝙蝠就依据接收到的反射回来的超声波来确定障碍物或目标位置,从而确定飞行方向.另外海豚、雷达也是利用波的反射来定位和测速的.
【例3】 有一辆汽车以15m/s的速度匀速行驶,在其正前方有一陡峭山崖,汽车鸣笛2s后司机听到回声,司机听到回声时汽车距山崖的距离多远?
(v声=340m/s)
解析 若汽车静止问题就简单了,现汽车运动,声音传播,如图所示为汽车与声波的运动过程示意图.设汽车由A到C路程为x1,C点到山崖B距离为x;声波由A到B再反射到C路程为x2,因汽车与声波运动时间同为t,则有x2=x1+2x,即v声t=v汽t+2x,所以x=
=
m=325m.
对惠更斯原理的理解
1.(多选)下列说法中正确的是( )
A.只有平面波的波面才与波线垂直
B.任何波的波线与波面都相互垂直
C.任何波的波线都表示波的传播方向
D.有些波的波面表示波的传播方向
解析 任何波的波线都与波面相互垂直,波线都表示波的传播方向,故B、C正确,A、D错误.
波的反射与折射
2.(多选)以下关于波的认识,哪些是正确的( )
A.潜艇利用声呐探测周围物体的分布情况,用的是波的反射原理
B.隐形飞机怪异的外形及表面涂特殊隐形物质,是为了减少波的反射,从而达到隐形的目的
C.雷达的工作原理是利用波的反射
D.水波从深水区传到浅水区改变传播方向的现象,是波的反射现象
解析 A、B、C选项中应用了波的反射现象;D选项应用了波的折射现象,深水区域和浅水区域视为不同介质,故波的传播方向发生改变,故D错误.
3.如图3所示是一列机械波从一种介质进入另一种介质中发生的现象,已知波在介质Ⅰ中的速度为v1,波在介质Ⅱ中的波速为v2,则v1∶v2为( )
图3
A.1∶
B.
∶1
C.
∶
D.
∶
解析 根据折射定律
=
,可得
=
=
∶
,所以选项C正确.
4.如图4所示,利用超声波可以探测鱼群的位置,在一只装有超声波发射和接受装置的渔船上,当它向选定的方向发射出频率为5.8×104Hz的超声波后,经过0.64s收到从鱼群反射回来的反射波,已知频率为5.8×104Hz的超声波在水中的波长为2.5cm.则这群鱼跟渔船的距离为m.
图4
解析 鱼跟渔船的距离为s,根据波的反射t=
①
又波速公式v=λf②
由①②两式得:
s=464m
题组一 惠更斯原理
1.(多选)下列说法正确的是( )
A.波线表示波的传播方向
B.波面表示波的传播方向
C.只有横波才有波面
D.波传播中某时刻任一波面上各子波波前的包络面就是新的波前
解析 波线表示波的传播方向,故A正确,B错误;所有的波都具有波面,故C错误;由惠更斯原理可知,D正确.
2.下列说法中正确的是( )
A.水波是球面波
B.声波是球面波
C.只有横波才能形成球面波
D.只有纵波才能形成球面波
解析 该题考查了波面,根据球面波的定义可知:
若波面是球面则为球面波,与是横波还是纵波无关,由此可知B正确,C、D不正确;由于水波不能在空间中传播,所以它是平面波,A不正确.
题组二 波的反射与折射
3.声波从声源发出,在空中向外传播的过程中( )
A.波速在逐渐变小B.频率在逐渐变小
C.振幅在逐渐变小D.波长在逐渐变小
解析 根据惠更斯原理知,声波从声源发出后,在空中向外传播的过程中,形成了以波源为中心的波面,面上的每个点都是子波的波源,然后子波波前形成包络面,即为新的波前,但声源提供的能量一定,在形成新的波前后,总能量不变,但每个新波前获得的能量减少,故在波的传播过程中振幅逐渐减小,故应选C.
4.一列声波从空气传入水中,已知水中声速较大,则( )
A.声波频率不变,波长变小
B.声波频率不变,波长变大
C.声波频率变小,波长变大
D.声波频率变大,波长不变
解析 该题考查波在发生折射时,波速、波长、频率是否变化的问题.由于波的频率由波源决定,因此波无论在空气中还是在水中频率都不变,故C、D错;又因波在水中速度较大,由公式v=λf可得,波在水中的波长变大,故A错,B正确.
5.(多选)下列现象中属于声波反射现象的是( )
A.隔着墙能听到房间外面有人讲话
B.音响设备制作时要考虑混合效应
C.夏日的雷声有时轰鸣不绝
D.在水里的人能听到岸上的声音
解析 反射现象是波在同一种介质中的传播,因此B、C正确;波在不同种介质中传播是折射现象,D不正确;A是在同一种介质的另一面传播,不是反射现象.
6.(多选)一列波由固体传入液体时,下列说法中正确的是( )
A.入射波的波长大于折射波的波长
B.入射波的波速大于折射波的波速
C.入射波的频率大于折射波的频率
D.入射波的入射角大于折射波的折射角
解析 固体波速大于液体波速,而波的频率并未变化,所以选项A、B正确,C错误;由折射定律可知,选项D正确.
7.(多选)如图1所示,一机械波由介质Ⅰ射入介质Ⅱ,在界面MN上发生偏折.下列说法正确的是( )
图1
A.波在介质Ⅰ中传播的速度大
B.波在介质Ⅱ中传播的速度大
C.波在介质Ⅰ中和介质Ⅱ中传播的速度之比为
D.波在介质Ⅱ中和介质Ⅰ中传播的速度之比为
解析 由波的折射定律
=
可知v1<v2,且
=
=
=
,故B、D正确.
8.人耳只能区分相差0.1s以上的两个声音,人要能听到自己讲话的回声,离障碍物的距离至少要大于( )
A.34mB.17m
C.100mD.170m
解析 声波在空气中传播的速度约为340m/s,因此2s=vt,s=
=17m,B正确.
9.人在室内讲话的声音比在室外空旷处讲话声音要洪亮,是因为( )
A.室内空气不流动B.室内声音多次反射
C.室内声音发生折射D.室内物体会吸收声音
解析 人在室内说话,声波会被室内物体、墙壁反射,甚至反射多次,因而显得声音洪亮.
A.听不到B.甲开枪后3ts
C.甲开枪后2tsD.甲开枪后
s
Secord声枪响是声波经墙反射后传到乙,根据波的反射定律,反射后声波所走路程s′=2
=4am.所需时间t′=
=
②
由①②得t′=2t,故C项正确.
题组三 综合应用
11.一声波在空气中的波长为25cm,速度为340m/s,当折射进入另一种介质时,波长变为80cm,求:
(1)声波在这种介质中的频率;
(2)声波在这种介质中的传播速度.
解析
(1)声波由空气进入另一种介质时,频率不变,由v=λf得f=
=
Hz=1360Hz.
(2)因频率不变,有
=
,得:
v′=
v=
×340m/s=1088m/s.
12.如图2所示,一列平面波朝着两种介质的界面传播,A1A2是它在介质Ⅰ中的一个波面,C1和C2位于两种介质的界面上,B1B2是这列平面波进入介质Ⅱ后的一个波面;A1C1和A2C2是它的两条波线,入射角为θ1,折射角为θ2,波在Ⅰ、Ⅱ介质中的传播速度分别为v1和v2.
图2
(1)试根据惠更斯原理证明:
=
;
(2)若已知θ1=53°(sin53°=0.8),A1A2的长度为0.6m,介质Ⅰ和介质Ⅱ中的波速之比为v1∶v2=4∶3,则:
A1C1B1与A2C2B2的长度相差多少?
解析
(1)证明:
如图,根据惠更斯原理画出波面C1D1与C2D2
在Rt△C1D1C2和Rt△C2D2C1中:
∠C2C1D1=θ1,∠C1C2D2=θ2,有:
sinθ1=
,
sinθ2=
又因为D1C2=v1t
C1D2=v2t
所以联立各式得:
=
得证.
(2)根据
=
,v1∶v2=4∶3和θ1=53°
得:
θ2=37°
所以C1C2=1.0m,D1C2=0.8m,C1D2=0.6m,所以A1C1B1与A2C2B2的长度相差Δr=D1C2-C1D2=0.2m.
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- 高中 创新 设计 物理 教科版 34 学案第 惠更斯 原理 反射 折射